3D打印如何推動工業(yè)4.0,？

來源：電子工程專輯

想像一下,，在家里或辦公室打印出一部完整的、功能齊全的智能手機(jī),。3D打印(3DP),，又名增材制造(AM)，可以將未來的工廠重新定義成一種可以放在桌面上的設(shè)備,。

現(xiàn)在距離這個目標(biāo)還有很長的路要走,，但是3D打印已經(jīng)應(yīng)用在制造電子產(chǎn)品，如連接器,、印刷電路板、射頻放大器,、太陽能元件,、嵌入式電子產(chǎn)品和外殼。線上制造平臺Hubs編制的一份報告顯示,，打印技術(shù)和材料的進(jìn)步幫助3D打印實(shí)現(xiàn)了其工業(yè)潛力,。

市值1.01億美元的3D印表機(jī)制造商Markforged發(fā)言人Sam Manning表示：“作為一個產(chǎn)業(yè)，3D打印肯定正處于一個轉(zhuǎn)折點(diǎn),，很多人都愿意打印最終用途的部件,。這與五年前相比有很大的不同�,！�

在整個制造業(yè),，3D打印解決了許多產(chǎn)業(yè)特有的問題。制造商不再需要依賴海外合作伙伴進(jìn)行原型設(shè)計和生產(chǎn),。設(shè)計可以安全地直接下載到印表機(jī),，從而降低IP盜竊的風(fēng)險，元件可以在消耗時依照所需的確切數(shù)量進(jìn)行建構(gòu),。這使企業(yè)擺脫了最低訂單要求和裝運(yùn)/交付提前期的影響,。用供應(yīng)鏈術(shù)語來說，3D打印是“及時生產(chǎn)的助推劑”,。

幾年前,，全球市值297.2億美元的EMS供應(yīng)商Flex就將3D打印確定為其工業(yè)4.0戰(zhàn)略的支柱。該公司設(shè)計團(tuán)隊(duì)和制造團(tuán)隊(duì)經(jīng)常對如何建構(gòu)產(chǎn)品有不同的看法,，3D制造透過提供即時原型和模型縮小了這一差距,。隨著產(chǎn)品的開發(fā)，3D技術(shù)會為過程中的每一步創(chuàng)建一個數(shù)字儲存庫,。設(shè)計變化可以快速合并,，并建立一個新的3D模型。

制造商還認(rèn)識到3D打印的成本和永續(xù)性優(yōu)勢,。從原材料到紙板箱的浪費(fèi)基本上被消除了,，庫存不再需要在倉庫中儲存和維護(hù),，運(yùn)輸和配送成本是最低的。根據(jù)Hubs的報告,，流程自動化正在透過切片機(jī)最佳化,、智能零件定位、批量布局和后處理來提高打印速度,、品質(zhì)和一致性,。

切片(Slicing)是將3D模型轉(zhuǎn)換為印表機(jī)指令集的過程。Manning說：“工廠將不再需要每年檢查庫存,，以確保庫存中有合適的零件,，或者，萬一沒有所需的零組件,，就只能坐在那里等待�,，F(xiàn)在的模式是‘拿一個，做一個’,�,！�

越來越多的軟件解決方案將3D打印生產(chǎn)鏈中的各個階段連接起來并實(shí)現(xiàn)自動化。Markforged開發(fā)了自己的軟件,，完全自動化的工作流程可實(shí)現(xiàn)無人值守的3D打印,，工廠幾乎不需要人工監(jiān)督。

Manning說：“我們的軟件確保切片是準(zhǔn)確的,，并在打印之前模擬零件,，以確保拉伸強(qiáng)度。如此,，你便擁有了一個零件的數(shù)字儲存庫,。”

新進(jìn)度
3D打印/增材制造領(lǐng)域由硬件(主要是印表機(jī)),、材料和軟件組成,。據(jù)Hubs報導(dǎo)，大型金屬增材制造領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展,。SLM Solution正在為美國空軍建造一個具有1.5公尺Z軸的激光粉末床融合系統(tǒng),，該系統(tǒng)將使用多個激光器來生產(chǎn)大型金屬零件。

大型復(fù)合材料專家Caracol正在開發(fā)一種近凈形金屬絲電弧增材制造系統(tǒng),，該系統(tǒng)使用金屬絲原料和機(jī)器人焊接臂來創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)或修復(fù)金屬零件,。

迄今為止，最大的3D打印產(chǎn)品是波音(Boeing)使用的配平工具,。該工具在加工和鉆孔時固定在波音777x的機(jī)翼蒙皮,。

3D打印材料包括種類不斷增加的工程熱塑性塑膠和樹脂、復(fù)合材料,、聚合物粉末和金屬粉末,。靜電放電樹脂可用于電子產(chǎn)品,、穿戴式設(shè)備中的阻尼彈性體樹脂，以及運(yùn)輸和其他產(chǎn)業(yè)中的阻燃材料,。在熔融沉積成型中,，非平面打印已經(jīng)取得了突破，軟件可以打印曲線,，消除懸垂的支撐,，提高垂直強(qiáng)度。

“我們不只是制造印表機(jī),，”Manning說,，“我們制作材料并處理軟件。當(dāng)整個生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同工作并不斷向人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)學(xué)習(xí)時,，3D打印的采用率將會提高,。”

Markforged可以立即將設(shè)計發(fā)送到13,000臺經(jīng)過ISO安全認(rèn)證的已連接印表機(jī)中的任何一臺,。“當(dāng)你考慮能夠解決當(dāng)前的供應(yīng)鏈問題時,，你所要做的就是點(diǎn)擊‘發(fā)送’和‘打印’,，”Manning說。

3D打印使用案例
無論產(chǎn)品是智能手機(jī)還是墊片,，3D打印都非常適合原型制作,、工具制作和大規(guī)模定制。原型在全面生產(chǎn)之前評估產(chǎn)品的設(shè)計和功能,；新的設(shè)計或特性可以更靈活地演進(jìn),、測試和驗(yàn)證。

“我認(rèn)為,，我們將看到的最重要的事情之一是,，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云端中進(jìn)化你的產(chǎn)品,，而不是使用增材制造進(jìn)行快速原型和打印,。”Manning說,，“你會確切地知道零件在強(qiáng)度和耐用性方面的規(guī)格,。”

工具涉及創(chuàng)建用于生產(chǎn)的專用設(shè)備,。3D打印能夠依需求生產(chǎn)工具,、夾具和裝配輔助工具，可以最大限度地減少機(jī)器停機(jī)時間,、提高生產(chǎn)靈活性并解鎖定制解決方案,。豐田(Toyota)將增材制造用于模具,，將敏捷性、更快的交貨時間和設(shè)計自由度作為三大優(yōu)勢,。

3D打印還為小批量制造提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的方法,。企業(yè)可以提供限量版產(chǎn)品和備件生產(chǎn)，同時最大限度地降低成本,。豐田正在使用惠普(HP)的3D打印技術(shù)來依需求制造替換零件,，以及短期的最終用途零件。

3D打印實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模定制,。CAD檔案可根據(jù)客戶需要修改,，產(chǎn)品可批量打印�,？萍夹聞�(chuàng)公司Formify使用3D打印根據(jù)客戶的手部圖像,，生產(chǎn)定制符合人體工程學(xué)的電腦鼠標(biāo)。

“供應(yīng)鏈正在努力盡可能高效地運(yùn)作,，”Manning說,，“市場上普遍發(fā)生的情況是，越來越多的人想要定制產(chǎn)品,。因此,，從本質(zhì)上講，每件商品的生產(chǎn)量會減少,，因此運(yùn)輸5件比運(yùn)輸50件更緊湊,，3D打印所能做的就是現(xiàn)場打印這5個項(xiàng)目。大多數(shù)企業(yè)都擔(dān)心自己的底線,，一旦你能夠小批量定制,，更多的公司就會關(guān)注3D打印，并找到有利于公司的方法,�,！�

批量生產(chǎn)是為了提高效率而連續(xù)生產(chǎn)多種相同產(chǎn)品的過程。Hubs報告稱,，隨著工作流程日益數(shù)字化和自動化,，制造商更容易全天候生產(chǎn)零件。在3D打印中,，批量生產(chǎn)對于小零件尤其可行,，因?yàn)槠渲袔讉�零件可以放入單個建構(gòu)中。例如,，Protolabs利用150臺3D印表機(jī),，每年生產(chǎn)多達(dá)100萬個零件。

永續(xù)
制造商面臨著不斷提高效率和削減成本的壓力，同時還要成為負(fù)責(zé)任的環(huán)境管理者,。3D打印在制造商的綠色倡議中發(fā)揮著主導(dǎo)作用,。例如，與電腦數(shù)值控制(CNC)加工等減材制造工藝相比,，3D打印產(chǎn)生的材料浪費(fèi)更少,。對于粉末印刷，3D打印可以重復(fù)使用和回收粉末,。

3D打印的功耗也更低,。Markforged的​​客戶Athena Manufacturing進(jìn)行關(guān)燈制造。Athena的機(jī)器人可以移除打印床,，將其放在一邊并放上新的打印床,，然后第二個機(jī)器人按下“打印”按鈕�,！八麄儾粩嗟厣�產(chǎn)零件——不是快速原型,，而是交付給客戶的零件，”Manning說,。

根據(jù)Hubs的說法,，人工智能驅(qū)動的軟件工具還可以最大限度地降低打印失敗的風(fēng)險并最佳化打印過程的CAD設(shè)計，從而幫助減少添加劑浪費(fèi),。

作為一種數(shù)字制造方法,，3D打印可以在本地生產(chǎn)零件，無需復(fù)雜的物流和運(yùn)輸,。分散式制造網(wǎng)路可以透過提供與世界各地合格制造商的聯(lián)系來促進(jìn)本地3D打印，智能零件設(shè)計正在幫助航太和汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的燃油效率,。透過增加零件的輕量化,，飛機(jī)和車輛可以消耗更少的燃料。Hubs報告稱,，將飛機(jī)重量減輕20%,，可以使燃油效率提高10%。

最后,，像汽車和飛機(jī)這樣的長壽命設(shè)備可以利用3D打印來延長它們的使用壽命,。這些產(chǎn)品中使用的元件經(jīng)常會過時，3D打印可以根據(jù)需要生產(chǎn)替換零件,，備品可以在家或在辦公室打印,。

根據(jù)Hubs的資料，到2022年,，3D打印市場(包括3D打印系統(tǒng),、軟件、材料和服務(wù)的收入)將達(dá)到170億美元,，年成長率為13%,。2023年的預(yù)測是基于17%的年復(fù)合成長率(CAGR),，到2023年將達(dá)到199億美元。

“3D打印是工程師的另一種工具,，”Manning說,，“它不會取代傳統(tǒng)制造業(yè)。但工程師們開始學(xué)習(xí)增材制造課程,。在設(shè)計時,，從增材制造的角度思考是非常不同的。我們希望在5年后,，工程師們能在傳統(tǒng)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行加法思考,。”

(參考原文：How 3D Printing Boosts Industry 4.0,，by Barbara Jorgensen,，國際電子商情Momoz編譯)

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